高铁车头——仿生学的现代应用

2022-06-23 00:59胡紫霞
阅读(科学探秘) 2022年6期
关键词:仿生学车头翠鸟

胡紫霞

铭铭和爸爸准备乘坐高铁出去游玩。他们在站台上等车,不一会儿,就看见一列高铁缓缓地开进了车站。

爸爸:铭铭,你看,高铁车头看起来像什么?

铭铭:车头长长的、尖尖的,有点像啄木鸟的嘴巴。

爸爸:你还别说,刚开始,设计师的确是从一种鸟类身上得到的灵感,不过不是啄木鸟,而是翠鸟。

铭铭:爸爸,那这也是仿生学的一种应用吧?

爸爸:是的,高铁车头就是仿生学现代应用的一个案例。看来你已经能够很好地理解仿生学的意思了。

铭铭:那当然,我可是下了一番功夫去了解仿生学的。

爸爸:现在,从上海到北京,我们坐高铁只需要四个多小时,在过去乘坐绿皮火车可是需要一天一夜呢。

铭铭:绿皮火车的车头也是这样呈流线型的吗?

爸爸:不是的。这就要说到翠鸟了。你知道翠鸟吗?翠鸟是一种体型不大的水鸟,常栖息于溪涧、小河、湖泊。小学语文书上有篇课文《翠鸟》,就描写了这种鸟。翠鸟主要以捕鱼为生,那它到底是如何捕鱼的呢?

铭铭:像老鹰一样用爪子捕获猎物吗?

爸爸:当然不是。这种独特的鸟类完全靠它长长的嘴,也就是它的喙来捕鱼。翠鸟的喙长而尖,远看很像啄木鸟。它是无声的猎手,常独自栖息在水边的树枝或岩石上,伺机猎食。它捕鱼的方式看起来非常简单:静静地凝视水流等待猎物,一旦有鱼出没,它便一头扎进水中。它那又尖又细的喙像针尖一样刺破水面,在一秒钟之内抓住小鱼,整个过程迅捷流畅,不会激起任何声响。科学家注意到了翠鸟的这一天赋,经研究后发现,翠鸟流线型的长喙是其中的关键,于是从中获得了灵感,有了今天技术上的突破。

这时,一个人笑眯眯地加入了父子俩的对话。她就是我国高速动车组总工程师、技术专家梁建英。

梁建英:铭铭爸爸说得很对。20世纪60年代,日本新干线开通运营,但“隧道音爆”问题一直困扰着这条繁忙的高速铁路。“隧道音爆”,简单地说,就是列车进入狭窄的隧道时,挤压隧道内的空气,使车头前面形成了一团被压缩的气体,而在隧道出口空气压力突然变化,像啤酒瓶的盖子被打开的那一瞬间,高压气体瞬间释放,就会“嘭”的一声,产生巨大的噪音,像爆炸了一样。因为高速列车最初的设计并没有考虑到这一点,于是给周围的居民生活带来了极大的困扰。如何让列车更安静,成为当时亟待解决的一个难题。

20世纪90年代末,日本铁路工程师在翠鸟从空中扎入水中的画面找到了设计灵感。是不是可以仿照翠鸟长喙的形状来设计高速列车呢?带着这个想法,工程师团队进行了各种测试,结果发现,理想的列车头部形状几乎和翠鸟的喙是一样的!于是,他们以翠鸟的喙为原型设计出了新的列车——新干线500系子弹头列车。

铭铭:结果怎么样呢?

梁建英:这种新设计的列车有效地降低了“隧道音爆”造成的噪音,而且和原来的列车相比,空气阻力降低了30%,能量消耗减少,列车行驶速度更快,创下了当时的世界纪录。这就是仿生学应用于现实、造福人类的价值所在。

爸爸:是不是很神奇?从鸟类完美的喙到更经济、高效的车头,因为模仿,人类创造了自己的杰作,改善了生活品质。那么,咱们国家的高速动车车头设计的灵感又来自哪里?有没有应用仿生学的案例呢?

梁建英:现在,我国的高速动车组有多种不同的型号,比如:CRH380A、CRH380AM、CRH2G高寒抗风沙动车组、CRH2E新型卧铺动车组、“复兴号”CR400AF动车组等。它们的设计灵感分别来自火箭、青铜剑、骏马、飞龙等。其中新型卧铺动车组CRH2E的外形在设计上是以奔驰的“骏马”作为造型来源的。“骏马”车头的形状演变自马头,提取了骏马的速度与力量感。在技术上,重点解决了大断面条件下列车的气动减阻和降噪、大侧风条件下列车运行的稳定性问题。

铭铭:这简直太帅了。現在我们的高铁技术已经处于世界领先地位了。梁阿姨,你们真是太了不起了!

梁建英:这离不开成千上万的工程师和其他工作人员的辛苦付出。他们坚持不懈,不畏艰难,勇往直前,克服了无数技术难关,才取得了今天的成就。所以,你们这一代人一定要更加努力,未来让我们的国家更加强大,尽早实现中华民族的伟大复兴梦!

铭铭:梁阿姨,我们一定会努力的!

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